راه‌حل همکاری برای محدودکننده جریان خطا (FCL) و بسته‌شدن خودکار تک‌فاز (SPAR) در شبکه‌های قدرت EHV جنوب شرق آسیا

13yrs + staff 30000+m² US$100,000,000+ China

مقدمه: زمینه پژوهش و اهمیت
با توسعه سریع اقتصادی در جنوب شرق آسیا، مقیاس شبکه‌های برق به طور مداوم گسترش می‌یابد و بارها افزایش می‌یابند. این امر منجر به این شده است که جریان‌های خطا در سیستم به حد یا حتی فراتر از حد توان قطع کننده‌های مدار نزدیک شده‌اند، که به طور جدی تهدیدی برای ایمنی و ثبات عملیات شبکه‌های برق است. در عین حال، خطوط انتقال با ولتاژ بسیار بالا به عنوان ستون فقرات ارتباطات منطقه‌ای برق عمل می‌کنند. بیش از ۷۰٪ از خرابی‌ها خرابی‌های زمین‌گذاری تک‌فاز هستند و تقریباً ۸۰٪ از این خرابی‌ها خرابی‌های گذرای (مانند ضربه‌های برق، اجسام خارجی پرویده شده توسط باد) هستند. فناوری خودبازپخش تک‌فاز (SPAR) روش کلیدی برای رفع سریع خرابی‌ها، بازیابی تامین برق و تضمین ثبات و قابلیت اطمینان شبکه است.

محدودکننده‌های جریان خطا (FCLs)، به ویژه FCLs نوع دستگاه محافظ ضدبرق (MOA) که از لحاظ هزینه‌ای اقتصادی هستند، اقدامات مؤثری برای محدود کردن جریان‌های خطا هستند و به تدریج در شبکه‌های با ولتاژ بسیار بالا استفاده می‌شوند. با این حال، تحقیقات موجود بیشتر روی تأثیر FCLs بر پایداری گذرا سیستم و حفاظت رله‌ای تمرکز داشته‌اند و تأثیرات منفی آنها بر نرخ موفقیت SPAR را نادیده گرفته‌اند. این پیشنهاد با انجام تحلیل عمیق از تعامل بین FCLs و SPAR و پیشنهاد یک مجموعه از استراتژی‌های کنترل هماهنگ برای شبکه‌های برق جنوب شرق آسیا، تلاش می‌کند این شکاف پژوهشی را پر کند. این استراتژی‌ها هم تأمین جریان محدود کننده موثر و هم تأمین برق قابل اعتماد را تضمین می‌کنند.

۱. اصل کار محدودکننده جریان خطا نوع دستگاه محافظ ضدبرق (MOA)
این نوع FCL از مولفه‌های زیر تشکیل شده است که به صورت هماهنگ عمل می‌کنند تا تابع اصلی ".impedance پایین در عملیات عادی و impedance بالا در زمان خرابی" را انجام دهند:

مولفه	توضیح عملکرد
رآکتور Lf (Lf = Lc + L)	در حالت عملیات عادی، با ظرف Cf به صورت سری در هم رزونانس می‌شود و impedance پایینی ارائه می‌دهد؛ در زمان خرابی، رآکتور محدودکننده جریان L به سیستم وارد می‌شود.
ظرف Cf	در حالت عملیات عادی در رزونانس شرکت می‌کند؛ در زمان خرابی، سریعاً توسط MOA کوتاه می‌شود و از مدار رزونانس خارج می‌شود.
دستگاه محافظ ضدبرق (MOA)	به محض تشخیص خرابی کوتاه مداری، عمل می‌کند و ظرف Cf را کوتاه می‌کند.
سوئیچ دوربین K	بعد از خرابی سریعاً بسته می‌شود تا جریان را تقسیم کند و MOA را از جذب انرژی بیش از حد محافظت کند. زمان‌بندی آن بسیار مهم است.
رآکتور محدودکننده جریان Lc	به طور اصلی جریان تخلیه ظرف Cf را از طریق فاصله تحریک محدود می‌کند.

فرآیند کار: در حالت عملیات عادی سیستم، Lf و Cf رزونانس می‌کنند → impedance FCL تقریباً صفر است → تأثیری بر جریان برق ندارد. وقتی خرابی کوتاه مداری رخ می‌دهد، MOA سریعاً عمل می‌کند و Cf را کوتاه می‌کند → رآکتور محدودکننده جریان L به سیستم وارد می‌شود تا جریان خطا را محدود کند → فاصله تحریک وقفه می‌یابد و سیگنالی برای بستن سوئیچ دوربین K ارسال می‌کند → بعد از بسته شدن K، جریان را تقسیم می‌کند تا MOA را محافظت کند.

۲. تحلیل مشکل: تأثیرات منفی FCL بر جریان قوس ثانویه و SPAR
جریان قوس ثانویه جریانی است که پس از باز شدن قطع کننده فاز خرابی شده در حین عملیات SPAR، به وسیله کوپلینگ الکترومغناطیسی و الکترواستاتیکی از فازهای سالم حفظ می‌شود. میزان و ویژگی‌های این جریان به طور مستقیم تعیین می‌کند که آیا قوس خرابی می‌تواند خود به خود خاموش شود، که برای موفقیت SPAR بسیار مهم است.

تحلیل شبیه‌سازی (بر اساس EMTP و با پارامترهای مدل مراجعه به سیستم ۵۰۰ kV جنوب چین) نشان می‌دهد که نصب FCL ممکن است مشکلات جدیدی را معرفی کند:

تأثیر زمان‌بندی سوئیچ دوربین (K): اگر سوئیچ دوربین K در زمان باز شدن قطع کننده باز باشد، جریان قوس ثانویه شامل یک مؤلفه با دامنه بزرگ (تا ۲۲۵ A) و واپاشی کند و فرکانس بسیار پایین (تقریباً ۳–۳.۲۵ Hz) خواهد بود. این مؤلفه با فرکانس پایین تعداد صفرهای عبور جریان را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد و خاموش شدن خود به خود قوس را دشوار می‌کند و به طور قابل توجهی نرخ موفقیت SPAR را کاهش می‌دهد.
تأثیر مقاومت مسیر قوس (Rg): وقتی مقاومت انتقال در نقطه خرابی بزرگ است (مثلاً ۳۰۰ Ω)، جریان خطا کوچک است که ممکن است باعث شود FCL در انتهای خط فعال نشود (MOA به ولتاژ کاری نمی‌رسد). در این صورت، Cf بدون کوتاه شدن باقی می‌ماند و یک مدار نوسانی با فرکانس پایین با رآکتور موازی خط تشکیل می‌دهد، که به طور مشابه یک مؤلفه با فرکانس پایین تولید می‌کند که برای خاموش شدن قوس مضر است.

۳. بررسی مکانیسم: منشا مؤلفه با فرکانس پایین
تحلیل نظری با استفاده از شبکه‌های impedanc معادل و تبدیل لاپلاس مکانیسم مؤلفه با فرکانس پایین را فاش می‌کند:
علت اصلی ظرف Cf در FCL است. پس از باز شدن قطع کننده و جدا شدن فاز خرابی شده، انرژی ذخیره شده در Cf از طریق رآکتور موازی خط و مقاومت قوس در نقطه خرابی تخلیه می‌شود. این مدار تخلیه یک مدار نوسانی با فرکانس پایین (تقریباً ۳ Hz) تشکیل می‌دهد که فرکانس نوسانی آن عمدتاً توسط Cf و پارامترهای رآکتور موازی خط تعیین می‌شود و به طور قابل توجهی مستقل از محل خرابی است. این نوسان با فرکانس پایین فقط وقتی که سوئیچ دوربین K بسته بماند و Cf کاملاً کوتاه شود، حذف می‌شود.

۴. راه‌حل اصلی: استراتژی هماهنگی زمانی FCL و SPAR
برای تأمین محدود کردن جریان موثر توسط FCL بدون تأثیر بر SPAR، این پیشنهاد یک استراتژی دقیق هماهنگی زمانی پیشنهاد می‌کند که مدت کل آن در محدوده ۰.۶۶–۰.۷۳ ثانیه کنترل می‌شود:

نود زمانی	فاصله زمانی (ثانیه)	توضیح فرآیند
t0	-	خرابی زمین‌گذاری تک‌فاز در سیستم رخ می‌دهد.
t1	۰.۰۰۲	MOA به ولتاژ کاری می‌رسد، عمل می‌کند و Cf را کوتاه می‌کند و رآکتور محدودکننده جریان L به سیستم وارد می‌شود.
t2	۰.۰۰۲	سیستم مانیتورینگ FCL فاصله تحریک G را تحریک می‌کند و همزمان سیگنالی برای شروع بستن سوئیچ دوربین K ارسال می‌کند.
t3	۰.۰۱۶	حفاظت رله خط عمل می‌کند، سیگنال قطع کننده قطع کننده را صادر می‌کند که همچنین به عنوان دستوری برای اجباری بستن K عمل می‌کند.
t4	≤۰.۰۲۴	确保旁路开关 K 完全闭合。这必须在断路器中断之前完成。
t5	۰.۰۱۶–۰.۰۳۶	线路两端的断路器主触点打开，切断故障电流。
t6	۰.۰۲	断路器分闸电阻断开，完全将故障相线与系统隔离；二次电弧开始燃烧。
t7	۰.۲۰	在二次电弧燃烧期间保持 K 闭合以消除低频分量。电弧自熄后，发出信号打开 K。
t8	۰.۰۴۵	旁路开关 K 打开。
t9	۰.۰۱۵	故障点电弧路径去离子时间，确保绝缘恢复。
t10	۰.۱۰	断路器合闸线圈通电，准备重合。
t11	۰.۲۰–۰.۲۵	断路器闭合，合闸电阻投入以抑制切换过电压。
t12	۰.۰۲	断路器主触点闭合，合闸电阻退出，线路成功恢复供电。